钙钛矿太阳能电池基本原理和制备方法VIP专享VIP免费

27（介扎g钙钛A空Y：传输捋人II空穴传输材料图2.1（a）“敏化”钙钛矿太阳能电池结构（b）平面异质结钙钛矿太阳能电池结钙钛矿太阳能电池基本原理和制备方法2.1基本原理钙钛矿太阳能电池作为一种新出现的太阳能电池，其电池结构目前主要有两种，第一种是由染料敏化太阳能电池演化而来的“敏化”结构，此结构与染料敏化太阳能电池极为相似，具有高吸光性的钙钛矿材料作为光敏化剂，其层状结构的每一层物质依次为透明导电玻璃、ZnO或TiO致密层、钙钛矿敏化的多孔TiO22或AlO层、空穴传输层（HTMs）、金属电极，结构图如图2.1左。第二种是平面23异质结薄膜结构，其层状结构每一层物质依次为透明导电玻璃、ZnO或TiO致密2层、钙钛矿层、空穴传输层（HTMs）、金属电极，结构图如图2.1右。这种结构下钙钛矿既是光吸收层又是电子传输层和空穴传输层，其优良性能被充分利用。由于作为空穴传输层（HTMs）的Spiro-OMeTAD材料制备起来相对比较复杂和昂贵，因而无空穴传输层（HTMs）的钙钛矿太阳能电池的研发也成为科研热点。2.1.1“敏化”钙钛矿太阳能电池H.S.Kim等科学家制作出了光电转化效率为9.7%的敏化全固态钙钛矿太阳能电8池，作为光吸收层的钙钛矿CHNHPbl的光吸收系数很高，较薄的钙钛矿敏333化的多孔TiO层可以吸收大量的光源，因而电池可以产生高达17.6mA/cm2的短路电流密度。此后Gratzel等科学家优化了电池制备方法，在TiO光阳极表面上2形成CHNHPbI纳米晶，此纳米晶具有高吸附性和该覆盖性。此方法使得太阳能333电池光电转换效率达到15％，并且具有极高的稳定性，500小时后光电转化效率仍然达到一开始的80％.一维的TiO纳米结构，包括纳米棒、纳米管、纳米线等，相比较于由TiO22纳米颗粒组成的薄膜，其电子传输效率更高，电子寿命更长，晶界的电荷复合效率更低。TiO薄膜因其有利于电子传输，具有恰当的能级，在传统的敏化结构太2阳能电池中可以作为光阳极。其电荷转移示意图如图2.2左。而由于钙钛矿CHNHPbI具有长的电子扩散长度，且具有双极性输运性质，光生电荷载流子可333以被钙钛矿有效的分别传输到两端电极，因而绝缘的AlO便可替代TiO。AlO23223仅作为钙钛矿CHNHPbI的支架，光生电子被限制在CHNHPbI内，只能在钙钛333333矿内传输。J.M.Ball等科学家优化了AlO的厚度，使得钙钛矿太阳能电池的光23电转换效率最高达到12.3％.其电荷转移示意图如图2.2右。aeV.B.—心PerovskiteHoletransporterVB—TtO2PerovskiteHole-transporterC.BC.B.1CB图2.2叫、Al2O3为光阳极的太阳能电池电荷转移示意图92.1.2平面异质结钙钛矿太阳能电池基于钙钛矿材料的高吸光率和可同时作为电子和空穴传输层的特性，钙钛矿太阳能电池中的多孔氧化物层可以舍去。将钙钛矿CHNHPbl直接以薄膜的形势333涂于致密TiO的FTO衬底上可以制备出平面异质结钙钛矿太阳能电池，制备方法2分为液相和气相法。气相法制备出的钙钛矿薄膜其均一性、致密性和无孔性要优于液相制备的钙钛矿薄膜。保证TiO致密层上钙钛矿薄膜的连续性和致密性对于2降低空穴传输层（HTMs）和TiO致密层的直接接触有非常重要的作用，同时也可2使电池的开路电压和填充因子有所提高。而钙钛矿薄膜的厚度对电子空穴的有效传输和太阳光的充分吸收有决定性的影响。H.J.Snaith等科学家使用气相沉积技术在致密TiO薄膜上沉积出钙钛矿CHNHPb（ICl）薄膜，制备出光电转换效2331-xx3率大15.4％的平面异质结钙钛矿太阳能电池。2.1.3无空穴传输层的钙钛矿太阳能电池钙钛矿CHNHPbl的多种特性使得此薄膜可以兼顾空穴传输层（HTMs）的作333ATiOA-5.43e-CH3NH3Pbl3-5.1图2.3CH3NH3PbI3/TiO2异质结太阳能电池结构示意图电荷分离过程的电池能级图10用。2012年，Etgar等科学家将TiO纳米片薄膜沉积在TiO致密层的FTO导电22玻璃上，再在TiO纳米片薄膜上制备钙钛矿CHNHPbl纳米晶，最后覆盖Au电2333极，制备得无空穴传输层的钙钛矿太阳能电池。通过调整个薄膜厚度将此类电池的光电转换效率提高到8％，中科院孟庆波等科学家通过两步法制备出光电转换效率达10.49％的无空穴传输层的钙钛矿太阳能电池。图2.3左为无空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的微观结构，图2.3右为其电荷分离的能级图。...